1、2022-6-151第第4章章 信道信道2022-6-152本章内容本章内容 4.1 加性高斯白噪声信道加性高斯白噪声信道 4.1.1 awgn函数函数 4.1.2 randn函数函数 4.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例 4.1.4 Simulink中的中的AWGN模块仿真模块仿真 4.2 多径衰落信道多径衰落信道 4.2.1 多径衰落信道的特点多径衰落信道的特点 4.2.2 多径衰落信道的仿真多径衰落信道的仿真 4.2.3 Simulink中的多径衰落信道模块仿真中的多径衰落信道模块仿真2022-6-1534.1.1 awgn函数函数 1.awgn(x, snr) 函数函数awgn
2、(x, snr)把加性高斯白噪声叠加到输入信号把加性高斯白噪声叠加到输入信号x中，中，snr以以dB的的形式指定了噪声的功率。在这种情况下，信号形式指定了噪声的功率。在这种情况下，信号x的功率假定为的功率假定为0dBW，因此噪声的功率实际上就等于因此噪声的功率实际上就等于-snr dBW。如果。如果x是复数，那么是复数，那么awgn将添加复数噪声。将添加复数噪声。 2.awgn(x,snr, sigpower) 这种方法与这种方法与1不同的是，假定了输入信号的功率为不同的是，假定了输入信号的功率为sigpower（单位：（单位：dBW）。 3.awgn(x,snr,measured) 首先计算
3、输入信号首先计算输入信号x的功率，然后按照的功率，然后按照snr添加相应功率的高斯白噪添加相应功率的高斯白噪声。声。 4.awgn(x,snr,state) 在这种调用中，在这种调用中，MATLAB将随机数种子设置为将随机数种子设置为state，其中，其中可以是可以是sigpower或者或者measured。 2022-6-1544.1.2 randn函数函数1.randn(n)randn(n)返还一个返还一个n行行n列的随机矩阵，其中每一行和每列的随机矩阵，其中每一行和每1列都服从列都服从均值为均值为0，方差为，方差为1的正态分布。的正态分布。2.randn(m,n)randn(m,n)返还
4、一个返还一个m行行n列的随机矩阵，其中每一行和每列的随机矩阵，其中每一行和每1列都列都服从均值为服从均值为0，方差为，方差为1的正态分布。的正态分布。3.randn(state,seed)randn(state,seed)把随机数种子设定为把随机数种子设定为seed，相同的，相同的state产生产生相同的随机数序列。相同的随机数序列。 2022-6-1554.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例 仿真正交相移键控（仿真正交相移键控（Quarterrary Phase Shift Keying, QPSK）调制的基带数字通信系统通过）调制的基带数字通信系统通过AWGN信道的误符号率（信道的误
5、符号率（Symbol Error Rate，SER）和误比特率（和误比特率（Bit Error Rate，BER）。）。 假设发射端信息比特采用假设发射端信息比特采用Gray编码映射，基带脉冲编码映射，基带脉冲采用矩形脉冲，仿真时每个脉冲的抽样点数为采用矩形脉冲，仿真时每个脉冲的抽样点数为8，接收端采用匹配滤波器进行相干解调。接收端采用匹配滤波器进行相干解调。 2022-6-1564.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例系统框图系统框图2022-6-1574.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例Tx模块结构框图模块结构框图2022-6-1584.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例
6、Rx模块结构框图模块结构框图2022-6-1594.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例系统框图中模块参数设置系统框图中模块参数设置nAWGN信道模块将噪声叠加到信道模块将噪声叠加到Tx模块产生的调制信号中。模块产生的调制信号中。参数设置：参数设置：SNR（dB）设为）设为“SNR”，将，将在工作区中创建相应的变量，在工作区中创建相应的变量，并通过脚本程序完成对它的赋并通过脚本程序完成对它的赋值。值。2022-6-15104.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例系统框图中模块参数设置系统框图中模块参数设置n误比特率与误符号率计算模块（误比特率与误符号率计算模块（Error Rate C
7、alculation）完成解调后的）完成解调后的比特、符号与原始数据比特、符号的比较，并计算比较的结果，计算误比特、符号与原始数据比特、符号的比较，并计算比较的结果，计算误比特率和误符号率。比特率和误符号率。参数设置：参数设置：Variable name命名为命名为BER和和SER。2022-6-15114.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例Tx框图中模块参数设置框图中模块参数设置n随机数产生模块随机数产生模块（Random Integer Generator）：产）：产生原始数据比特。生原始数据比特。参数设置：参数设置：M-ary number表示产生的随机整数表示产生的随机整数范围，
8、设为范围，设为2，表示产生值为，表示产生值为0，1的的随机整数，代表信源产生的比特。随机整数，代表信源产生的比特。Initial seed是产生随机整数的种子是产生随机整数的种子Sample time表示信源产生数据的时表示信源产生数据的时间间隔，设定为间间隔，设定为1/400000 表示每表示每1/400000s信源产生一个比特信源产生一个比特Frame-based outputs表示产生的表示产生的比特以帧的形式输出，每个帧包含比特以帧的形式输出，每个帧包含的比特个数由的比特个数由Samples per frame指指定定设定设定Samples per frame为为400000，每秒内恰
9、好输出一帧数据。每秒内恰好输出一帧数据。2022-6-15124.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例Tx框图中模块参数设置框图中模块参数设置n比特到整数转换模块把产生的比特比特到整数转换模块把产生的比特转换成对应的符号。转换成对应的符号。参数设置：参数设置：M-ary number表示产生的随机整数表示产生的随机整数范围，设为范围，设为2，表示产生值为，表示产生值为0，1的的随机整数，代表信源产生的比特。随机整数，代表信源产生的比特。n数据映射模块完成原始数据符号向数据映射模块完成原始数据符号向Gray编码映射的过程。编码映射的过程。参数设置：参数设置：Mapping mode设置为设置
10、为“Binary to Gray” Symbol set size（M)设置为设置为4。2022-6-15134.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例Tx框图中模块参数设置框图中模块参数设置nQPSK基带调制模块完成基带调制模块完成QPSK调制。调制。参数设置：参数设置：Input type设为设为“Integer”Phase offset（rad）为）为0Samples per symbol为为12022-6-15144.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例Tx框图中模块参数设置框图中模块参数设置n理想矩形脉冲成形滤波器模理想矩形脉冲成形滤波器模块完成矩形脉冲成形。块完成矩形脉冲成形
11、。2022-6-15154.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例Rx框图中模块参数设置框图中模块参数设置n积分清除模块完成对一个符号积分清除模块完成对一个符号的抽样数据进行累加。的抽样数据进行累加。参数设置：参数设置：Integration period（number of samples设定为设定为8Offset（number of samples）设为设为0n积分清除模块只是完成对数据的累积分清除模块只是完成对数据的累加，并没有归一化。增益模块对累加，并没有归一化。增益模块对累加的数据进行归一化。加的数据进行归一化。参数设置：参数设置：设置设置Gain为为1/82022-6-15164
12、.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例Rx框图中模块参数设置框图中模块参数设置nQPSK基带解调模块完成基带解调模块完成QPSK调制。调制。参数设置：参数设置：Input type设为设为“Integer”Phase offset（rad）为）为0Samples per symbol为为12022-6-15174.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例Rx框图中模块参数设置框图中模块参数设置n符号到比特转换模块把对应的符号符号到比特转换模块把对应的符号还原为原始的比特。还原为原始的比特。参数设置：参数设置：Number of bits per integer设为设为2，表示每个整数符号对
13、应两个表示每个整数符号对应两个bit。n数据数据逆逆映射模块完成映射模块完成Gray编码向原编码向原始数据符号映射的过程。始数据符号映射的过程。参数设置：参数设置：Mapping mode设置为设置为“Gray to Binary” Symbol set size（M)设置为设置为4。2022-6-15184.1.3 AWGN信道仿真示例信道仿真示例脚本程序：脚本程序：clear allsnr=-3:3; %SNR的范围的范围SimulationTime=10; %仿真结束时间仿真结束时间for ii=1:length(snr) SNR=snr(ii); %赋值给赋值给AWGN信道模块中的信道
14、模块中的SNR sim(ex7); %运行仿真模型运行仿真模型 ber(ii)=BER(1); %保存本次仿真得到的保存本次仿真得到的BER ser(ii)=SER(1); %保存本次仿真得到的保存本次仿真得到的SERendfiguresemilogy(snr,ber,-ro,snr,ser,-r*)legend(BER,SER)title(QPSK在在AWGN信道下的性能信道下的性能)xlabel(信噪比（信噪比（dB）)ylabel(误符号率和误比特率误符号率和误比特率)2022-6-15194.2.1 多径衰落信道的特点多径衰落信道的特点 频率选择性频率选择性 时间选择性时间选择性 多径
15、衰落信道的模拟多径衰落信道的模拟 0000222cos2cos)(rdcrdtfrcrtfte 号号移动台接收到的合成信移动台接收到的合成信2022-6-15204.2.1 多径衰落信道的特点多径衰落信道的特点 频率选择性频率选择性（多径导致）（多径导致）clear allf=1;%发射信号频率发射信号频率v=0;%移动台速度，静止情况为移动台速度，静止情况为0c=3e8; %电磁波速度，光速电磁波速度，光速r0=3; %移动台距离基站初始距离移动台距离基站初始距离d=10; %基站距离反射墙的距离基站距离反射墙的距离t1=0.1:0.0001:12; %时间时间E1=cos(2*pi*f*(
16、1-v/c).*t1-r0/c)./(r0+v.*t1); %直射径信号直射径信号E2=cos(2*pi*f*(1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c)./(2*d-r0-v*t1); %反射径信号反射径信号figureplot(t1,E1,t1,E2,-g,t1,E1-E2,-r) %画出直射径、反射径和总的接收信号画出直射径、反射径和总的接收信号legend(直射径信号直射径信号,反射径信号反射径信号,移动台接收的合成信号移动台接收的合成信号)axis(0 12 -0.5 0.5)f=1 r0=9f=1 r0=32022-6-15214.2.1 多径衰落信道的特点多径衰落信道的特点 频率
17、选择性频率选择性 （多径导致）（多径导致）clear allf=100000000;%发射信号频率发射信号频率v=0;%移动台速度，静止情况为移动台速度，静止情况为0c=3e8; %电磁波速度，光速电磁波速度，光速r0=3; %移动台距离基站初始距离移动台距离基站初始距离d=10; %基站距离反射墙的距离基站距离反射墙的距离t1=0.000001:0.00000000001:0.0000011;%时间时间E1=cos(2*pi*f*(1-v/c).*t1-r0/c)./(r0+v.*t1); %直射径信号直射径信号E2=cos(2*pi*f*(1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c)./(2
18、*d-r0-v*t1); %反射径信号反射径信号figureplot(t1,E1,t1,E2,-g,t1,E1-E2,-r) %画出直射径、反射径和总的接收信号画出直射径、反射径和总的接收信号legend(直射径信号直射径信号,反射径信号反射径信号,移动台接收的合成信号移动台接收的合成信号)axis(0.000001 0.0000011 -0.5 0.5)f=108 r0=32022-6-15224.2.1 多径衰落信道的特点多径衰落信道的特点 结论结论 在同一位置，由于反射信号的存在，发射不同频率信号时，在同一位置，由于反射信号的存在，发射不同频率信号时，在接收机处接收到的信号有的频率是被增
19、强了，有的频率在接收机处接收到的信号有的频率是被增强了，有的频率是被削弱了。是被削弱了。频率选择性衰落频率选择性衰落（多径导致）（多径导致） 。 上例中，上例中，f=1,2,3,.1000,这些频率基本上都是被削弱的，只这些频率基本上都是被削弱的，只有有f充分大，充分大，f=108，才会看出信号被增强了。那么把那些受，才会看出信号被增强了。那么把那些受到影响基本一致的频率范围称为到影响基本一致的频率范围称为相干带宽相干带宽。 ，是反射径与直射径的传播延时之差。，是反射径与直射径的传播延时之差。 称为相干带宽。称为相干带宽。crcrdTd 2dT12022-6-15234.2.1 多径衰落信道的
20、特点多径衰落信道的特点 结论结论 信号脉冲周期大于传播延时信号脉冲周期大于传播延时Td（信号带宽小于相干带（信号带宽小于相干带宽），信号的频带内受到的衰落影响基本一致，称为宽），信号的频带内受到的衰落影响基本一致，称为平平坦衰落坦衰落。脉冲周期越长，码间干扰就越小。脉冲周期越长，码间干扰就越小。 信号脉冲周期小于传播延时信号脉冲周期小于传播延时Td （信号频率大于相干带（信号频率大于相干带宽），频率受到的影响是不一样的，称为宽），频率受到的影响是不一样的，称为频率选择性衰频率选择性衰落落。码间干扰严重。码间干扰严重。2022-6-15244.2.1 多径衰落信道的特点多径衰落信道的特点 时间选
21、择性时间选择性 （多普勒频移导致）（多普勒频移导致）clear allf=2;%发射信号频率发射信号频率v=1;%移动台速度，静止情况为移动台速度，静止情况为0c=10; %电磁波速度，光速电磁波速度，光速r0=3; %移动台距离基站初始距离移动台距离基站初始距离d=15; %基站距离反射墙的距离基站距离反射墙的距离t1=0.1:0.001:12; %时间时间E1=cos(2*pi*f*(1-v/c).*t1-r0/c)./(r0+v.*t1); %直射径信号直射径信号E2=cos(2*pi*f*(1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c)./(2*d-r0-v*t1); %反射径信号反射径信
22、号figureplot(t1,E1,t1,E2,-g,t1,E1-E2,-r) %画出直射径、反射径和总的接收信号画出直射径、反射径和总的接收信号legend(直射径信号直射径信号,反射径信号反射径信号,移动台接收的合成信号移动台接收的合成信号)axis(0 12 -0.5 0.5)相干时间相干时间2022-6-15254.2.1 多径衰落信道的特点多径衰落信道的特点 结论结论 当移动台运动起来，即使同一频率，在不同的时间点，合当移动台运动起来，即使同一频率，在不同的时间点，合成信号的强度也是不一样的。成信号的强度也是不一样的。 由于移动台运动而导致的信号增强或削弱的情况就是由于移动台运动而导
23、致的信号增强或削弱的情况就是时间时间选择性衰落选择性衰落。vtrdcvtrdtfvtrcvtrtftevtrr 00000222cos2cos)( 移动台反射墙运动，移动台反射墙运动，fcvD 2多多普普勒勒频频移移fcvD 1fcvDDDs 12多多普普勒勒扩扩展展s21D间等于间等于间段称为信道的相干时间段称为信道的相干时信号基本保持不变的时信号基本保持不变的时2022-6-15264.2.3 Simulink中的多径衰落信道模中的多径衰落信道模块仿真块仿真 位于位于Communications Blockset | Channels 中中最大多普勒频移最大多普勒频移输入信号抽样间隔输入信号抽样间隔各个路径相对第一径的时延各个路径相对第一径的时延各个路径相对第一径的增益各个路径相对第一径的增益2022-6-15274.2.3 Simulink中的多径衰落信道模中的多径衰落信道模块仿真块仿真 示例见源程序示例见源程序ex11。 习题习题 产生最大多普勒频移为产生最大多普勒频移为120的多径瑞利衰落信道，假设的多径瑞利衰落信道，假设信号的抽样时间间隔为信号的抽样时间间隔为1/100000s，多径延迟为，多径延迟为0 6e-5 11e-5，各径增益为，各径增益为0 -3 -6。重新仿真。重新仿真ex11。
